Simulasi boost converter

[ [ images & links ] ]

[ Semua gambar di bawah ini dapat dilihat versi tampilan yang lebih besar dengan cara melakukan klik-kanan di gambar lalu memilih “Open image in new tab” pada browser. ]

PSD Tool 4.o

Gambar 1. Rancangan awal dengan PSD.

Gambar 2. Penyederhanaan rancangan.

Gambar 1 adalah rancangan awal, parameter yang sesungguhnya hendak dicapai. Rancangan itu kemudian disederhakan seperti di Gambar 2, dengan perubahan hanya pada nilai tegangan masukan saja. Rancangan ini akan menjadi baseline untuk kemungkinan perubahan parameter lainnya.

Sebagai latihan untuk lebih memahami tentang boost converter di artikel ini akan coba disampaikan sejak dari tahapan rancangan, simulasi open-loop boost converter, dan simulasi closed-loop boost converter. Di artikel lain akan diberikan contoh konverter komersial yang banyak di jual di ‘pasaran’ saat ini, tetapi yang masih belum memiliki model untuk disimulasikan. Untuk itu nantinya hanya akan berdasarkan datasheet dan (jika ada) review dari pengguna lain.

Bagi mahasiswa, sekalipun nantinya tidak akan melakukan perancangan sendiri sistem boost converter, tetap akan mendapat manfaat jika mempelajari ini dengan baik dan benar. Sistem boost converter komersial sudah cukup banyak yang dijual dengan harga yang sangat terjangkau. Tetapi untuk dapat memahami cara kerjanya, perlu memahami terlebih dahulu rangkaian dasarnya. Dengan begitu, jika dipelajari dengan baik minimal akan dapat menentukan apakah suatu sistem sedang bekerja dengan baik atau tidak. Kemudian, pelajaran semacam ini juga berperan baik untuk dapat mengantarkan mahasiswa selayaknya sebagai lulusan pendidikan KKNI level 5 atau level 6.

Di tingkat pendidikan tinggi, higher-oder thinking skills (HOTS) diutamakan untuk dikuasai. Hal itulah yang membedakannya dari jenjang pendidikan sebelumnya dan menjadi justifikasi pembiayaan rutin yang diterimanya. Termasuk untuk jenjang pendidikan tinggi vokasi seperti politeknik. Perbedaan antara pendidikan tinggi akademik dan vokasi di Indonesia adalah bahwa pendidikan tinggi vokasi tidak diselenggarakan untuk menemukan teori-teori baru dalam sains. Politeknik tidak didorong untuk menemukan hal-hal yang sama sekali baru di dunia internasional (meskipun tentu tidak dilarang). 

Pendidikan tinggi vokasi seperti politeknik didorong untuk dapat menerapkan sains dan teknologi dalam kerekayasaan. Ini bukanlah perkara yang mudah, karena justru artinya perlu pemahaman yang cukup dari ‘hulu sampai hilir’. Terutama saat ini, saat sebagian besar kegiatan vokasional sudah berdasarkan sains, tidak lagi semata-mata trial-and-error. Untuk dapat mewujudkan sesuatu dalam rangka problem solving perlu pemahaman dasar landasan teori yang baik. Untuk memahami lebih jauh tentang hal ini bisa dicari informasi mengenai taksonomi Bloom (Benjamin Bloom, David Krathwohl, Lorin Anderson).  

Pengembangan kemampuan (dan kemauan) dalam literasi menjadi sangat penting. Mahasiswa perlu didorong untuk mau membaca dan belajar dari sumber multimedia lainnya. Dengan cara itu setiap generasi bisa belajar dari pengalaman sesamanya dan juga pengalaman generasi sebelumnya. Begitulah cara sains, rekayasa, dan teknologi dikembangkan. Dengan cara itu para alumnus diharapkan mampu mengembangkan cara abstraksi untuk hal-hal riil yang ditanganinya. Terutama saat didengungkan industrial revolution 4.0 and society 5.0. Kalau tidak hati-hati maka Indonesia akan tertinggal lagi di belakang negara-negara lain yang sudah memasukinya

Sistem boost converter bukanlah topologi yang benar-benar baru. Ini adalah salah satu tipe dasar dari dc-dc converter. Melalui pelajaran seperti ini mahasiswa dapat difasilitasi dan dimotivasi untuk secara mandiri melakukan proses belajar. Ada banyak sumber belajar, artikel ini hanya berupaya memfasilitas dan memandu sebagai penunjuk arah sebagai pagar. Masing-masing perguruan tinggi dan pengampu memiliki titik fokus dan kedalaman yang berbeda, silakan dimanfaatkan dan disesuaikan. 

Sumber belajar termasuk persamaan mengenai boost converter dapat ditemui di banyak sumber. Misalnya untuk textbook bisa ditemui di:

  1. D. W. Hart, Power electronics, 1st ed. New York: McGraw-Hill Higher Education, 2010.
  2. P. T. Krein, Elements of power electronics. New York, NY: Oxford University Press, 1997.
  3. W. P. Robbins, T. M. Undeland, and N. Mohan, Power electronics: Converters, applications, and design, 3rd ed. United States: John Wiley and Sons (WIE), 2002.
  4. M. H. Rashid, Ed., Power Electronics Handbook, Fourth Edition, 4 edition. Butterworth-Heinemann, 2017.
  5. I. Batarseh and A. Harb, Power Electronics: Circuit Analysis and Design, 2nd ed. 2018 edition. Springer, 2017.

Terdapat lebih banyak lagi sumber informasi untuk belajar selain dari textbook. Seperti yang sudah sering saya utarakan, perusahaan-perusahaan pembuat komponen / alat / sistem elektronika cukup banyak yang memberikan berbagai informasi, bahkan dalam bentuk tutorial. Hampir di setiap halaman website tentang satu komponen regulator/controller konverter terdapat banyak tautan ke sejumlah dokumen lain yang dapat dipakai untuk belajar. Semua dokumen itu biasanya bebas pakai, gratis.

Berikut ini ada beberapa dokumen yang menurut saya bagus sebagai dasar belajar boost converter. Beberapa dokumen memang memberikan detail informasi yang banyak dan berlebih untuk kepentingan awal belajar. Karena itu perlu untuk disadari benar sejak awal tentang informasi apa yang sebenarnya diperlukan. Jika terdapat kesulitan mengenai bahasa pengantar, dapat memulai dengan menggunakan bantuan Google Translate atau Bing Microsoft Translator

Gambar 3. Dokumen (link).

Gambar 4. Dokumen (link).

Gambar 5. Dokumen (link).

Gambar 6. Dokumen (link).

Gambar 7. Dokumen (link).

Gambar 8. Dokumen (link).

Pembahasan tentang boost converter terdapat di bagian 6.5 THE BOOST CONVERTER, halaman 211, di buku tulisan Daniel W. Hart. Di buku itu D. W. Hart mengambil pendekatan bahasan dengan mengasumsikan bahwa komponen adalah komponen yang ideal. Selain itu rangkaian beroperasi di wilayah CCM (continuous current mode), suatu pendekatan yang saya pergunakan juga di (hampir) semua artikel. Terakhir, tentu saja rangkaian yang dibahas adalah rangkaian tipe open-loop atau yang dikenali juga sebagai power stage (tanpa bagian pengendali dengan umpan balik). Di buku itu juga telah tersedia persamaan-persamaan berikut contoh soalnya.

Di bagian awal bahasan tentang boost converter D. W. Hart menyampaikan tentang hubungan analisis tegangan dan arus di boost converter. Sebagaimana layaknya sebuah analisis yang bertahap secara sistematis, Hart melakukan penyederhanaan dengan menggunakan asumsi awal sebagai berikut:

  1. Terdapat suatu kondisi tunak (steady state). Artinya ada waktu saat rangkaian mencapai konvergensi, tegangan/arus akan mencapai kondisi final (meskipun sebenarnya terdapat riak);
  2. Terdapat periode penyakelaran dengan duty cycle tertentu;
  3. Arus induktor selalu kontinyu (karenanya bernilai positif);
  4. Nilai kapasitor dianggap sangat besar. Kapasitor besar ini mampu untuk menjaga nilai tegangan menjadi konstant di level Vo.
  5. Semua komponen adalah komponen ideal. Aritnya tidak ada unsur parasitik seperti ESR maupun ESL.

Dengan kelima asumsi yang menjadi prinsip dasar tadi, Hart melanjutkan bahasan analisis tegangan dan arus dengan membagi ke dalam dua bagian besar. Bagian pertama membahas tentang kondisi saat sakelar tertutup. Bagian kedua membahas tentang kondisi pada saat terbuka. Setalah didapat pemahaman dasar dengan asumsi kondisi komponen ideal, Hart kemudian melanjutkan bahasan tentang output voltage ripple. Kondisi ideal tegangan keluaran konstan adalah kondisi ideal dengan anggapan bahwa nilai kapasitor ideal adalah sangat besar, bahkan tak terhingga. Pada kenyataannya untuk semua rangkaian/catu daya tersakelar, akan selalu terdapat riak pada tegangan dan arus.

Terakhir, Hart membahas resistansi di komponen induktor dan efeknya pada efisiensi. Sekalipun induktor di awal dapat dianggap ideal, tetapi faktanya induktor seperti juga kapasitor memiliki komponen parasitik.

Setelah membandingkan dengan beberapa textbook sebagai acuan standar di pendidikan tinggi, saya melihat bahwa isi materi (informasi) yang ada di dalam sejumlah dokumen dari perusahaan pembuat komponen elektronika, dapat dipakai sebagai bahan belajar. Sumber-sumber ini bebas pakai dan tetap bermanfaat sebagai bahan belajar, bahkan kadang lebih karena sebagian ditujukan untuk para practicing engineer.

Saya mulai dengan dokumen sebagimana di Gambar 3. Di dokumen ini dan beberapa dokumen lain dari perusahaan yang berbeda, terdapat dua bagian formulasi persamaan yang sebenarnya merupakan pengubahan format berdasarkan kepentingan penggunaan. Bagian pertama adalah persamaan-persamaan yang dipakai untuk menjelaskan fenomena. Bagian kedua adalah persamaan yang diubah/disusun sedemikian rupa untuk kepentingan desain/perencanaan.

Gambar 9. [AN1207] Topologi boost converter

Rangkaian boost converter adalah salah satu dari beberapa rangkaian dasar catu daya tersakelar. Berbeda dari buck converter yang berfungsi untuk menurunkan level tegangan, sehingga tegangan keluaran lebih kecil dari tegangan masukan, boost converter berfungsi sebaliknya. Suatu sistem boost converter dipakai jika diperlukan suatu sistem penaik tegangan. Misalnya kita memiliki suatu sistem elektronika yang bekerja dengan level tegangan 12 Vdc. Sementara kita ingin memberi daya dari sebuah cell (battery) lithium 18650 dengan tegangan 4 Vdc. Maka diperlukan suatu sistem step-up DC. Contoh skenario penggunaan lain adalah seperti di Gambar 1 dan Gambar 2.

Suatu boost converter adalah ciri khas dari catu daya tersakelar, dc-dc coverter. Catu daya dengan topologi buck coverter memiliki padanan di sistem satu daya linier, ada jenis-jenis regulator yang dirancang khusus untuk menurunkan tegangan. Sedangkan untuk sistem catu daya boost converter tidak memiliki padanan serupa di sistem catu daya linier (dengan perkecualian voltage doubler circuit). 

Gambar 10. [AN1207] Kondisi sakelar ON (tertutup). 

Komponen MOSFET di Gambar 1 dan Gambar 2 sesungguhnya adalah sebuah sakelar. Hal yang juga sama berlaku bagi BJT, dan IGBT di semua rangkaian utama topologi switchedmode dc-dc converter. Saat sakelar MOSFET Q1 menutup, node di sisi Drain akan dianggap terhubung singkat ke ground. Maka diode dalam kkondisi terbuka, tidak bisa menghantar. Saat awal operasi jika kapasitor dalam keadaan kosong tanpa simpanan energi maka beban resistor akan bernilai nol volt. Tetapi nantinya pada siklus-siklus berikutnya saat kapasitor telah terisi, maka di kondisi MOSFET menutup seperti ini beban akan diberi energi dari simpanan kapasitor. Akan halnya dengan induktor, di Persamaan 46, nilai tegangan di induktor akan sama dengan nilai tegangan masukan (yang dikurangi dengan nilai jatuh tegangan di MOSFET sebagai ketidakidealan).  

Gambar 11. [AN1207] Kondisi sakelar OFF (terbuka). 

Dalam skenario operasi siklus pertama ini, dari kondisi awalan di mana sakelar telah terbuka sangat lama kemudian sakelar menutup seperti di Gambar 10. Energi tersimpan dalam bentuk medan magnet di induktor L1. Kemudian sakelar dibuka seperti kondisi di Gambar 11. Jika dipahami prinsip dasar sifat induktor yang melawan perubahan arus, maka hal itu pun terjadi di kondisi seperti di Gambar 11. Induktor akan ‘berusaha’ tetap mempertahankan level arus dengan cara melakukan konversi energi yang disimpannya di medan magnet. Polaritas induktor akan terbalik di kondisi baru ini. Jika tadinya bisa dibayangkan serupa sebagai resistor ( atau sumber tegangan, jika menggunakan back-emf )maka di kondisi yang sekarang dapat dibayangkan sebagai baterai, keduanya tetap mengacu pada passive sign convention.

Masih pada operasi di Gambar 11, diode yang sebenarnya juga adalah sebuah sakelar (searah) saat ini menutup. Dalam kondisi ini (untuk rangkaian dasar) sumber terhubung langsung dengan beban. Arus dari sumber melewati induktor, melewati diode, lalu memasuki beban. Pada beberapa IC regulator dengan rancangan rangkaian yang lebih kompleks, rangkaian bisa ditambah dengan sakelar aktif yang memisahkan antara sumber dengan beban.

Gambar 12. Mode operasi dari boost converter berdasarkan arus induktor.

Kondisi CCM dan DCM dapat dilihat di Gambar 12. Kurva di kanan atas adalah contoh operasi CCM sedangkan di bawahnya adalah kurva operasi di DCM. Di kiri bawah adalah kondisi kritis peralihan antara CCM dan DCM. Dalam simulasi dengan PSD di Gambar 12, jika nilai induktor tetap maka kondisi CCM/DCM tergantung pada arus yang melewati induktor menuju beban. Secara intuitif mudah diingat bahwa jika arus menuju beban menurun (misalnya karena nilai resistansi beban meningkat) maka arus di induktor juga menurun. Jika melewati batas kritis, maka kondisi operasi beralih dari CCM ke DCM.

Gambar 13. [AN1207] Persamaan tegangan dari arus untuk CCM power stage boost converter.

Untuk persamaan yang dipergunakan untuk keperluan desain, menurut saya dokumen AN1207 dari Microchip ini kurang memadai, karena itu berikut ini mulai beralih ke dokumen SLVA372C (Basic Calculation of a Boost Converter’s Power Stage) dari Texas Instruments. Pengerjaan perhitungan berdasarkan persamaan untuk parameter rancangan di Gambar 2 akan dilakukan kemudian.

Gambar 14. [SLVA372C] Persamaan 14, 15, dan 16.

Perhitungan (1): \(\large 1-\frac{8.2}{11.6}=0.2931 \) .

Perhitungan (1) adalah perhitungan dengan persamaan (14) untuk input di Gambar 2. Nilainya akan berbeda dengan Perhitungan (2) yang telah memasukkan jatuh tegangan di diode. Hasilnya adalah 0.3333 yang sebanding dengan nilai duty cycle 33.33% oleh PSD.

Perhitungan (2): \(\large 1-\frac{8.2}{11.6+0.7}=0.3333 \) .

Perhitungan (3): Pencarian current ripple.

\(\LARGE\frac{8.2 \times 0.3333 }{85\textrm{E}3 \times 220\textrm{E}-6}=0.1461 \,\textrm{A}\) .

Perhitungan di atas adalah penerapan persamaan (15), riak arus 0.1461 A ≈ 0.15 A. Nilai perhitungan bersesuaian dengan perhitungan (Inductor) Current Ripple di PSD. Nilai induktor 220 μH adalah nilai yang dipilih oleh untuk disimulasikan, bukan nilai induktor minimal yang disarankan oleh PSD. 

Dari dokumen Texas Instruments, slyu036 Power Topologies Handbook, diperoleh persamaan 

\(\LARGE I_{ripple}=\frac{1}{L_1}\cdot V_{in} \cdot t_1\),

t1 adalah waktu saat MOSFET menutup dan arus di induktor meningkat.

\(\LARGE I_{ripple}=\frac{1}{220\textrm{E-6}}\cdot 8.2 \cdot 3.92\textrm{E-6}=0.1461\textrm{A}\)

Dari kedua persamaan ini bisa dibuktikan bahwa t1 adalah t on (sebagaimana terlihat di gambar kurva di slyu036). Diketahui \(\large D=\frac{t_{on}}{T}\). Dari kedua persamaan dari sumber yang berbeda itu, bisa dilihat dengan mudah bahwa:

\(\LARGE \frac{D}{f}=t_1\)

dan D=t1 x f. Sehingga \(\LARGE \frac{t_{on}}{T}=t_1\cdot\frac{1}{T}\).

Perhitungan Iripple cara kedua sedikit lebih ringkas untuk memeriksa perhitungan di PSD.

 

Perhitungan (4): \(\large \frac{0.15}{2} + \frac{0.35}{1-0.3333}=0.5999 \,\textrm{A}\) .

Perhitungan (4) adalah penerapan persamaan (17) untuk mencari ISW yang berdasarkan perhitungan/simulasi PSD adalah 598.08 mA.

 

Sebagaimana Perhitungan (1), untuk mendapatkan hasil yang lebih baik umumnya nilai jatuh tegangan di diode perlu diikutsertakan di setiap perhitungan yang melibatkan tegangan keluaran. Misalnya untuk perhitungan daya dan arus di Perhitungan (6).

Perhitungan (5): \(\large 0.35 \,\textrm{A} \times 11.6 \,\textrm{V} = 4.06 \,\textrm{Watt}\) .

Perhitungan daya keluaran tanpa diode.

Perhitungan (6): \(\large 0.35 \,\textrm{A} \times (11.6 \,\textrm{V} + 0.7 \,\textrm{V}) = 4.305 \,\textrm{Watt}\) .

Perhitungan daya keluaran dengan diode. Nilai jatuh tegangan di diode dipilih 0.7 V, meskipun untuk diode Schottky biasanya nilai yang dipakai adalah 0.5 V.

Perhitungan (7): \(\large  \frac{4.305 \,\textrm{W}}{8.2 \,\textrm{V}} = 0.525\,\textrm{A}\) .

Perhitungan arus masukan/input. Penting untuk diingat bahwa dalam keadaan ideal rata-rata daya yang diberikan oleh sumber adalah sama nilainya dengan rata-rata daya yang diserap oleh beban (dalam contoh beban berupa resistor). Ini tentu saja mengabaikan kondisi tidak ideal, adanya rugi-rugi saat transfer daya. Tetapi prisip ini penting untuk dipahami sebagai landasan untuk kerja komponen dan rangkaian berikutnya.

Perhitungan (8): \(\large  0.525\,\textrm{A} \times 30\textrm{%} = 0.1575 \,\textrm{A} \) .

Perhitungan nilai nilai (inductor) current ripple berdasarkan parameter target Inductor Current Ripple (dalam persen). Dapat dilihat di Gambar 2, bahwa dengan target 30% berarti nilai riak arus di induktor yang dikehendaki adalah 30% dari arus masukan. Untuk contoh ini nilai riak arus induktor adalah 0.1575 A. Di PSD nilai ini dibulatkan menjadi 0.16 A. Nilai ini akan tampil jika anda mengganti nilai induktor menjadi sebesar yang direkomendasikan oleh PSD, dari 220 μH ke 204.17 μH.

 

Perhitungan (9): \(\large \frac{8.2\times((11.6+0.7)-8.2)}{0.1575\times85\textrm{E}3\times(11.6+0.7)}\times1\textrm{E}6=204.17\textrm{μH} \).

Perhitungan dengan menggunakan persamaan (18) untuk mencari nilai induktor. Nilai ini adalah nilai yang disarankan oleh PSD untuk dipergunakan, berdasarkan dari parameter target sasaran riak arus di induktor (dalam persen) yang dimasukkan oleh pengguna. Di PSD pengguna dapat memilih nilai lain untuk dimasukkan di kotak data input. Untuk sebagai contoh, di Gambar 2 induktor yang direncanakan dipakai adalah 220 μH dari saran yang sebesar 204.17 μH. Untuk praktik produksi massal, tindakan ini bisa jadi salah karena akan mungkin menaikkan ongkos produksi. Tetapi dalam praktik di prototyping seringkali nilai yang tersedia lebih besar (atau bahkan lebih kecil) dari yang diperlukan. 

 

Arus rata-rata di induktor adalah sama dengan arus rata-rata masukan. Perhatikan penjelasan untuk Perhitungan (7). Maka, arus minimum dan maksimum untuk induktor dapat dihitung. Perhitungan (7) menghasilkan nilai yang sama untuk nilai rata-rata induktor, yaitu 0.525 A. Perhitungan (8) menghasilkan nilai riak induktor sebesar 0.1575 A. Sesuai namanya, nilai rata-rata adalah separuh dari nilai puncak-ke-puncak (riak) di induktor di boost converter.

Perhitungan (10): \(\large (0.525\,\textrm{A}+\frac{0.1461\,\textrm{A}}{2})\times 1000 = 598.05 \:\textrm{mA}\)

Perhitungan (10) menggunakan persamaan berikut: \(\large I_{max}=I_{L}+\frac{\Delta i_{L}}{2}\).

 

Perhitungan (11):\(\large (0.525\,\textrm{A}-\frac{0.1461\,\textrm{A}}{2})\times 1000 = 451.95 \:\textrm{mA}\)

Perhitungan (11) menggunakan persamaan berikut: \(\large I_{min}=I_{L}-\frac{\Delta i_{L}}{2}\).

Gambar 15. Simulasi PSD untuk riak arus di induktor.

Hasil Perhitungan (10) dan Perhitungan(11) dapat dibandingkan dengan hasil perhitungan/simulasi oleh PSD di Gambar 15.

 

Perhitungan (12): Pencarian batas arus CCM-DCM.

Untuk pelajaran pengenalan tentang dc-dc converter umumnya dipergunakan CCM. Tetapi bagi yang ingin berkhidmat di bidang perancangan sistem konverter maka ada banyak bahan informasi tentang DC yang bisa dicari dengan cara yang sama sebagaimana telah saya tunjukkan di banyak artikel. Untuk saat ini saya hanya hendak menyampaikan ulang pengenalan tentang mode operasi CCM dan DCM, terutama mengenai batas parameter yang mengakibatkan peralihan mode operasi.

Di buku W. P. Robbins, T. M. Undeland, and N. Mohan, Power electronics: Converters, applications, and design, 3rd ed. United States: John Wiley and Sons (WIE), 2002., di sub-bab 7-4-2 (halaman 173) dibahas mengenai kondisi batas (boundary) antara CCM dan DCM. Tetapi di artikel ini saya ingin (kembali) menunjukkan bukti bahwa prinsip informasi tersedia di bergagai sumber itu benar. Untuk bidang-bidang yang telah umum dibahas oleh umat manusia hingga saat ini, selama kita mampu untuk memformulasikan permasalahan ke dalam bentuk pertanyaan-pertanyaan yang tepat maka ada harapan besar bagi kita untuk menemukan jawabannya. Tertama sekali benar berlaku untuk bidang kerekayasaan (engineering).

Mari membuka halaman 3-5 di dokumen Under the Hood of a DC/DC Boost Converter dari Texas Instrument. Di sana akan ditemui persamaan seperti screenchot di Gambar 16.

Gambar 16. Persamaan menentukan nilai L untuk menjamin CCM.

Persamaan di Gambar 16 dipakai untuk mencari nilai L minimal yang menjamin operasi tetap di satu mode operasi. Untuk pembuktian/pemeriksaan rangkaian maka persamaan ini bisa dimodifikasi untuk mencari nilai arus keluaran minimum dengan nilai L yang sudah ditetapkan. Perhitungannya sebagai berikut:

\(\LARGE I_{out}=\frac{8.2 \times \frac{1}{85\textrm{E3}}}{2 \times 220\textrm{E-6}}\times0.3333\times(1-0.3333)\times1\textrm{E3}=48.7200\,\textrm{mA}\).

Maka jika parameter rangkaian adalah tetap seperti di Gambar 2 tetapi (karena kondisi beban) nilai arus keluaran turun hingga 48.72 mA (dari desain 350 mA), boost converter berada pada batas kritis peralilhan dari CCM ke DCM. Saat kondisi arus beban sebesar 48.72 mA maka nilai arus masukan (input ≈ induktor) dapat dihitung sebagai berikut:

\(\LARGE I_{input}= (11.6 + 0.7)\times \frac{48.72\textrm{E-3}}{8.2} \times 1\textrm{E3} = 73.08 \,\textrm{mA}\)

Perhitungan manual ini dapat dibandingkan dengan perhitungan/simulasi oleh PSD sebagai berikut:

Gambar 17. Cara pertama untuk membandingkan nilai batas kritis arus beban, CCM ke DCM.

Cara pertama seperti di Gambar 17 adalah cara yang praktis dan cepat. Pengguna hanya perlu memanipulasi slider di tampilan komponen induktor. Tetapi cara ini terganggu oleh resolusi slider yang menjadi masukan simulasi sistem. Cara berikutnya di Gambar 18 ini lebih presisi, tetapi sebagai konsekuensinya pengguna perlu mengubah parameter masukan.

Gambar 18. Cara kedua untuk membandingkan nilai batas kritis arus beban, CCM ke DCM.

Gambar 18 dan Gambar 17 dapat dibandingkan dengan Gambar 12. Untuk contoh ini, pada kondisi arus rata-rata di induktor sama dengan atau lebih kecil dari 73.08 mA maka boost converter berpindah dari mode operasi CCM ke mode operasi DCM.

Sebelum mencoba rangkaian dengan simulator lain, berikut ini akan ditunjukkan beberapa kutipan dari beberapa dokumen lain mengenai boost converter. Sebagaimana sering disampaikan bahwa kemampuan untuk membandingkan (sumber) informasi adalah keterampilan dasar yang perlu dimiliki oleh mahasiswa perguruan tinggi vokasi. Karena di jenjang KKNI 5 dan berikutnya itulah kemampuan untuk memilih metode, dan sarana untuk menyelesaikan masalah teknis menjadi syarat kelayakan.

Gambar 19. Screenshot dokumen SLVA797.

Dengan belajar dari beberapa sumber yang berbeda kita bisa belajar mengenali notasi yang berbeda untuk persamaan/rumus yang sebenarnya sama. Kita bisa belajar kedalaman pertimbangan dan bahasan dari masing-masing sumber. Belajar mengenai apa saja titik perhatian/fokus masing-masing pembahasan. Juga belajar mengenai pengalaman orang lain.

Budaya sains adalah budaya tulisan, jauh sebelum era audiovisual. Jika budaya tutur mensyaratkan kehadiran orang-orang di tempat yang sama di zaman dahulu, maka budaya tulisanlah yang membuat sains tersebar dengan lebih luas dan lebih cepat. Sebuah tulisan berupa ‘buku’ dari dedaunan, kulit binatang, atau kertas bisa disalin berulang kali dalam jumlah banyak. Bisa tersebar dengan lebih cepat dan lebih jauh daripada para ilmuwan yang mengembara. Membaca, bahkan hingga saat ini, adalah salah satu bentuk kesediaan kita untuk belajar dari orang lain, belajar dari pengalaman mereka. Cara lain sebagai tambahan adalah dengan menyaksikan tanyangan multimedia (audiovisual). Misalnya terutama untuk hal-hal yang berupa keterampilan motorik / aktivitas fisik / know-how.

Di bagian ini akan saya kutipkan bagian boost converter (CCM) dari isi dokumen slyu036 Power Topologies Handbook oleh Texas Instruments. 

Gambar 20. Boost converter (CCM) dari isi dokumen slyu036 Power Topologies Handbook oleh Texas Instruments. 

Setelah melakukan simulasi/perhitungan dengan PSD, melakukan perhitungan manual dari panduan persamaan, dan mambaca beberapa dokumen pembanding lain, sekarang akan dilakukan simulasi rangkaian dengan LTspice. Rangkaian boost converter CCM yang akan disimulasikan adalah tipe open loop yang dikenal juga sebagai power stage (tanpa pengendali dengan feedback). Di sini bisa dilihat bahwa LTspice dapat dipergunakan untuk level sistem dengan komponen-komponen idael maupun di level rangkaian elektronika dengan model-model komponen SPICE yang mendekati karakteristik komponen fisiknya.

Gambar 21. Simulasi dengan komponen ideal.

Gambar 21 adalah proof-of-concept awal bahwa rangkaian di Gambar 2 (PSD) dapat disimulasikan di sistem berbasis SPICE. Nilai duty cycle masih sama dengan yang dimasukkan di PSD seperti terlihat di Gambar 2. Sakelar yang dipakai adalah switch yang dapat diatur lebih ideal sebagai sakelar daripada model MOSFET. Begitu pun diode yang dipergunakan adalah model diode ideal D. Kemudian di satu tahap berikutnya ditunjukkan bagaimana diode D diganti dengan diode Schottky 1N5819 di Gambar 22.

Gambar 22. Simulasi dengan diode Scottky 1N5819.

Sakelar di Gambar 22 diganti dengan model  MOSFET (IRLB3034pbf) di Gambar 23. Untuk kemudahan transfer file model mosfet langsung diletakkan di halaman skematik. Saat model sakelar diganti, ternyata seperti yang telah dapat diduga, untuk kerja rangkaian berubah. Nilai tegangan dan arus tidak lagi sebagaimana yang direncanakan dengan PSD seperti terlihat di Gambar 2. Karena itu di Gambar 23, dapat dilihat upaya pertama untuk melakukan koreksi (debugging) sistem. Dicari suatu nilai rentang waktu ON yang sesuai, dengan kata lain dicari nilai duty cycle baru yang sesuai. Caranya adalah dengan melakukan stepping (sweeping) terhadap nilai ton. Rentang yang panjang akan memberikan gambaran yang lebih baik, tetapi dengan resolusi yang sama maka akan memperpanjang waktu simulasi. Karena itu resolusi stepping yang lebih tinggi sebaiknya dipakai untuk jendela simulasi yang lebih sempit, setelah gambaran kasar didapatkan dari rentang simulasi yang lebih panjang.

Gambar 23. Stepping nilai ton.

Gambar 24. Hasil stepping ton.

Gambar 25. Hasil simulasi dengan nilai ton yang baru.

Gambar 25 adalah simulasi dengan menggunakan ton yang baru dari hasil simulasi di Gambar 24. Nilai ini tentu masih akan berubah jika model yang dipergunakan berubah. Begitu pula jika rangkaian ini diwujudkan dengan komponen fisik di sistem fisik. Bahkan sekalipun memang dapat diwujudkan secara fisik, umumnya hanya dipakai untuk keperluan belajar. Sedangkan untuk keperluan yang lebih kompleks atau komersial, dipergunakan sistem yang di dalamnya sudah terdapat IC regulator/controller. Sistem itu sudah merupakan sistem closed loop dan bukan lagi sekadar power stage yang open loop.

Dengan LTspice kita dapat memahami bagaimana detail cara kerja sebuah topologi boost converter. Hubungan (correlation) antara bagian rangkaian yang bersifat causality dapat dengan lebih mudah diperhatikan. Misalnya, bagaimana kondisi tegangan dan arus di sakelar MOSFET mempengaruhi kondisi tegangan dan arus di L1, D1, C1, R1, dan bahkan C2? Anda bisa melakukan zoom-in pada hasil simulasi untuk dapat lebih fokus melihat hubungan sebab-akibat. Ini penting, karena dasar dan fondasi dari semua sistem engineering adalah hubungan sebab-akibat.

Di lain kesempatan di lain artikel akan saya coba tampilkan contoh-contoh simulasi yang lain. Juga simulasi dari sistem yang telah lebih kompleks yang sudah menggunakan regulator/controller di dalam sistemnya. Untuk sementara ini silakan mengakses dan membaca bahan-bahan pembanding di bagian Sumber belajar berikut ini.

font cache: Ψ α β π θ μ Φ φ ω Ω ° ~ ± ≈ ≠ ≡ ≤ ≥ ∞ ∫ • ∆

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *